(57)【要約】      （修正有）【課題】主光源光と局部発振光の位相差を誤差信号として帰還することで主光源光に対し局部発振光の光位相を同期させる光位相同期装置を提供する。【解決手段】局部発振光源を半導体レーザにより構成し、半導体レーザの励起電流端子には、直流近傍の電流駆動端子とRF駆動端子とが設けられ、電流駆動端子には、光周波数安定化を図る光周波数帰還回路を接続し、RF駆動端子には主光源との光位相誤差検出器からの誤差電流が帰還される光位相帰還回路を接続する。光周波数帰還回路は、半導体レーザからの信号光と基準光との光周波数誤差を検出しこの光周波数誤差信号を定電流源に帰還して設定電流値に加算するループ帯域の比較的狭い帰還回路から構成される。光周波数帰還回路の定電流源は，RF駆動端子側から見たとき高いインピーダンスを持っており、また信号光と基準光との光差周波数を分周する分周器を設けて光周波数の安定化を緩やかに制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主光源光に対し局部発振光の光位相を同期させる光位相同期装置において、
局部発振光源を半導体レーザ(LD)により構成し、前記半導体レーザ(LD)の励起電流端子には、直流近傍の電流駆動端子と比較的広帯域まで伸びたRF駆動端子とが設けられ、前記電流駆動端子には、光周波数安定化を図る定電流源を有する光周波数帰還回路を接続し、前記RF駆動端子には半導体レーザ(LD)からの信号光と主光源との光位相誤差検出器からの誤差電流が帰還される光位相帰還回路を接続したことを特徴とする光位相同期装置
【請求項２】
前記光周波数帰還回路は、半導体レーザ(LD)からの信号光と基準光またはその基準光より構成された基準光周波数コムとの光周波数誤差を検出しこの光周波数誤差信号を定電流源に帰還して設定電流値に加算するループ帯域の比較的狭い帰還回路から構成されることを特徴とする請求項１に記載の光位相同期装置。
【請求項３】
前記光位相帰還回路は、RF駆動端子への誤差電流を定電流値に加算するための電位調整回路を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光位相同期装置．
【請求項４】
前記光周波数帰還回路は、前記定電流源を，前記RF駆動端子側から見たとき高いインピーダンスを持たせ，また半導体レーザ(LD)からの信号光と前記基準光との光差周波数を分周する分周器を設けて，光周波数の安定化を緩やかに制御することを特徴とする請求項１又は請求項２または請求項３に記載の光位相同期装置．
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，例えば位相変調方式の光通信において使用する局発光源を実現する光位相同期装置に関するものである．
【背景技術】
【０００２】
光通信の大容量化のために波長分割多重などの多波長化や多値変調などの変調方式による多値化が開発されている．これらを実現するためには半導体レーザの周波数ゆらぎがないことが前提となり，また受信側では位相を搬送波にロックする技術が必要である．
現在，ディジタルコヒーレント技術が提唱されているが，局発光の位相ゆらぎを取り除くものではなく膨大な受信データから学習処理等を経てゆらぎによるデータの歪みを補正する手法である（非特許文献１）．（非特許文献２）従って，実用化には実時間処理の問題や高速なディジタル処理装置によるコストの問題が発生するであろう．
局発光の位相ゆらぎを検出し，これを補正する電気信号を印加した位相変調器に光を通すことでゆらぎを抑制する技術もある（非特許文献3）．しかしながら，光位相変調器は高価である．
また，送信信号にパイロット信号を重畳させ，受信側ではこのパイロット信号に位相同期させる手法なども提案されている（非特許文献４）．この方法ではパイロット信号に波長を用意する必要があり，将来，波長多重通信の多重密度を増大することへの障害となろう．
【０００３】
一般に通信用光源として使われる半導体レーザは、小型であるが熱の揺らぎを受けやすく、そのため発振周波数も揺らぎやすい。半導体材料の屈折率の温度依存性によって0.07nm/degreeほど変化する。ペルチエ素子などを用いてLDモジュール温度を0.01℃程度に安定化は行うが、それでも環境温度変化1℃あたり100MHz前後の光周波数変化は免れない。安定かつ信頼性の高いコヒーレント通信を実現するには、個々のLD光源は環境温度の変化にかかわらず、発振光周波数が1MHz以下には保たれている必要があると考えられる（非特許文献５）。
これではコヒーレント通信を実現するのは困難であり、1980年代に研究開発が推進されたが、実用に至らなかった主な要因である。
本発明は、LDの室温変化に寄らずLDの発振光周波数を安定に維持し、その上で局発光や励起光が通信光キャリアの位相に容易に同期できる光位相同期装置を提供するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平10-178394号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Y. Mori, C.Zhang, K.Igarashi, K,Katoh and K,Kikuchi, ”Unrepeated 200-km transmission of 40-Gbit/s 16-QAM signals using digital coherent receiver,” Optics express, Vol. 17, No. 3, pp.1435-1441, 2 Feb. 2009.
【非特許文献２】K. Kikuchi,S.  Tsukamoto, “Evaluation of sensitivity of the digital coherent receiver,” Journal of Lightwave Thchnology, vol. 26, No. 13, July 1, 2008.
【非特許文献３】D.Becker, S.Datta, D.Mohr, C.Wree, S.Bhandare, A.Joshi,”Synchronous homodyne detection of 42.8Gb/s NRZ-ASK using standard DFB lasers,” OSA/OFC/NFOEC 2009.
【非特許文献４】王，葛西，中沢，“半導体レーザ型OPLLを用いた120Gbit/s, 64QAM -150kmコヒーレント光伝送”電子情報通信学会，通信ソサイエティ大会，札幌，9月，2011
【非特許文献５】水鳥，古賀,”変調サイドバンド光を用いた半導体レーザ発振周波数のITU-T周波数グリッドへの安定化,” 電子情報通信学会論文誌B, Vol.J94-B, No.12, pp.1538-1546, 電子情報通信学会，2011
【非特許文献６】S. Norimatsu, K. Iwashita, and K. Noguchi,”An 8 Gb/s QPSK optical homodyne detection experiment using external-cavity laser diodes,” IEEE Photonics Technology letters, Vol. 4, No. 7, pp.765-767, July 1992
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、安定化された基準光を備え，定電流源により駆動する局部発振光源に，基準光と局部発振光との差周波数を検出し定電流源に帰還することで局部発振光の光周波数を主光源光周波数へ緩やかに安定化させ，さらに主光源光と局部発振光の位相差を誤差信号として帰還することで主光源光に対し局部発振光の光位相を同期させる光位相同期装置を提供するものである。
因みに、特開平10-178394号公報（特許文献１）の光位相同期装置は、伝送装置ごとに、光周波数同期系と位相同期系に分けて構成しており、光周波数同期系は、信号光と局発光のビート信号を受信後、これをふたつに分け、自動周波数制御ループと位相同期ループを構成し、それぞれの誤差信号を加算器を使ってトータルの誤差信号として帰還している。このためコストを著しく増大させる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の特徴とする技術構成は次のとおりである．
即ち本発明の光位相同期装置は、主光源光に対し局部発振光の光位相を同期させる光位相同期装置において、
局部発振光源を半導体レーザ(LD)により構成し、前記半導体レーザ(LD)の励起電流端子には、直流近傍の電流駆動端子と比較的広帯域まで伸びたRF駆動端子とが設けられ、前記電流駆動端子には、半導体レーザ(LD)からの信号光の光周波数安定化を図る定電流源を有する光周波数帰還回路を接続し、前記RF駆動端子には半導体レーザ(LD)からの信号光と主光源との光位相誤差検出器からの誤差電流が帰還される光位相帰還回路を接続する。
前記光周波数帰還回路は、半導体レーザ(LD)からの信号光と基準光またはその基準光より構成された基準光周波数コムとの光周波数誤差を検出しこの光周波数誤差信号を定電流源に帰還して設定電流値に加算するループ帯域の比較的狭い帰還回路から構成され、
前記光位相帰還回路には、RF駆動端子への誤差電流を定電流値に加算するための電位調整回路を備え、前記光周波数帰還回路の前記定電流源は，前記RF駆動端子側から見たとき高いインピーダンスを持っており，また，半導体レーザ(LD)からの信号光と前記基準光との光周波数差を分周する分周器を設けて光周波数の安定化を緩やかに制御することを特徴とする光位相同期装置である．  
即ち本発明の光位相同期装置は、特許文献１に記載の発明に比し、光周波数同期には通信局単位の基準光に同期させ、信号受信のための位相同期が必要な位相同期回路は信号光に対して行なっていること、光周波数同期用誤差信号と位相同期用誤差信号の加算も、ＬＤモジュール内部構造と定電流機構が有するインピーダンス無限大の理想状態から単純に構成できるのが特徴である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の光位相同期装置は、前記構成により、局発光の位相を主光源光にロックさせて，光通信における基地局での受信を容易にし，これによりディジタルコヒーレント技術は長距離伝送による分散等による波形歪みを補正すればよく，その負荷を著しく軽減できる．
このため，本発明の光位相同期装置を用いた光源で受信し他の技術と合わせることで光コヒーレント通信の実現に繋がる等の期待効果も大きい．
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】光ファイバ通信装置の送信基地局と受信基地局の各構成を示すブロック説明図である。
【図２】前記半導体レーザLDの発振部分の等価回路図である。
【図３】図２の回路に定電流源を構成してアレンジした回路図である。
【図４】図３の回路のフィードバック入力端子にシンセサイザを接続し電流に交流成分を付与して，その周波数特性を測定した結果を示すグラフである。
【図５】前記半導体レーザLDの直流駆動端子に定電流源を接続し一定の電流を流し，RF駆動端子に発振器を接続し前記半導体レーザLDに流れる電流を制御できることを確かめた実験回路図である．
【図６】図5に示す回路でRF駆動端子における周波数特性を測定し結果を示すグラフである。
【図７】本発明の光位相同期装置の実施形態構成例を示すブロック線図である。
【図８】光QPSK信号を受信する際に使われる光位相誤差検出器の例である．
【図９】周波数同期と位相同期の為の両帰還信号をRF駆動端子に帰還する例である．
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明を実施するための装置について図１〜図７と共にその構成と、その構成にする意義と作用効果等について以下の実施例により説明する。
【００１１】
【実施例】
【００１２】
本例の光位相同期装置は、主光源光に対し局部発振光源の光位相を同期させるもので、その構成は、図７のブロック線図に紹介のように、局部発振光源が半導体レーザLD100により構成され、当該半導体レーザLD100の励起電流端子には、直流近傍の電流駆動端子101と比較的広帯域まで伸びたRF駆動端子102とが設けられ、直流近傍の電流駆動端子101には、半導体レーザ(LD)からの信号光の光周波数安定化を図る定電流源207を有する光周波数帰還回路が接続され、RF駆動端子102には半導体レーザ(LD)からの信号光と主光源301との光位相誤差検出器302からの誤差電流が帰還される光位相帰還回路を備えている。
この光位相帰還回路における光周波数安定化を図る定電流源207では、基準光202またはその基準光より構成された基準光周波数コムとの光周波数差を検出する光合波器と光電変換器201と分周器203を備え，分周器203からの周波数をマイクロ波発振器205からの周波数に一致させるために分周器203から出力の周波数とマイクロ波発振器205からのマイクロ波を位相検出器204に入力して位相検出器204により周波数誤差信号を得てこれをループフィルタ206を介して定電流源207へ帰還させるループ帯域の比較的狭い帰還回路から構成してある。
そして前記光位相帰還回路はRF駆動端子102への誤差電流（周波数誤差信号に基ずく誤差電流）を定電流へ加算するための電位調整回路305を備えてある。
これ等の構成により、光位相同期装置は、半導体レーザLD100の室温変化に寄らず半導体レーザLD100からの発振光周波数を安定に維持して、局発光や励起光を、確実に通信光キャリアの位相に同期させることを実現した。  
【００１３】
一般に、光ファイバ通信での光位相同期装置は，図1に示すように送信基地局と受信基地局がある．
各々の基地局では光周波数基準(OFCR)に周波数ロックした光源を用意して通信を行うこととなる．
特に変調方式としてBPSKやQPSKさらに多値QAMなどの位相変調により通信を行う場合，受信側は局発振光周波数が送信側の局発振光周波数と一致し位相がロックしていないと正しく受信できない．
両局は配信されたOFCRのある一つの周波数frに同じ周波数fmのマイクロ波を用いてヘテロダイン方式で周波数ロックされている．従って両局の発振光周波数fcはfr+fmとなっている．しかし，その周波数は環境温度等により揺らいでいる．
無線通信などでは受信信号から搬送波を抽出するためにCOSTASループ回路等を使っているが，光通信では図8に示すような光90°ハイブリッド回路とdecision driven回路を使い受信光と局発光との位相差を検出できる．この信号を用いてホモダイン検波とし受信側の光位相を送信側の光源（主光源）光に位相同期させることができる．
図8の構成と作用を記載してください。
図８は図７の光位相誤差検出器302を光QPSK信号受信する際に実現する例である（非特許文献６）．光通信では変調された受信光が主光源である。例えばQPSK方式であれば2つの直交位相成分(cos,sin)に対して信号変調が施されており、光キャリア成分は喪失するので、単純な光位相同期回路では局部発振光位相を信号光位相に同期させることは困難である。また、受信感度の観点から同期させるとき、信号光周波数に局部発振光周波数を一致させる、すなわちホモダイン検波機能を実現することが重要な要素であるが、そのためには一般には直流成分を含めた誤差信号検出機能が必要である。
この問題を解決するために、図８に示すように光90°ハイブリッド回路と2対の差動光電変換さらに識別回路，加・減算回路，排他的論理和(Exclusive OR)回路より構成されるdecision driven回路を用いることで位相誤差信号を検出することができる．この信号を半導体レーザに帰還することで位相同期を実現するものである．識別信号が有する立ち上がり位相に基づいて位相を検出しているので、直流成分は不要である。このように光90°ハイブリッド回路からdecision driven回路までの図8に示した回路を光位相誤差検出器として用いることができる．
また，この回路は復号器にもなっており位相同期が達成された時には送信側から送られたData1，Data2を得ることができる．
【００１４】
受信局では半導体レーザ（LD）からの信号光の発振周波数をOFCRにヘテロダイン方式で周波数をロックしつつ送信側の光（主光源光）にホモダイン方式で位相ロックする必要がある．
図２は、半導体レーザLDの発振部分の等価回路を示す半導体レーザLDモジュールである。
このように半導体レーザLDモジュールは、励起電流端子として直流駆動端子とRF駆動端子を有している．RF駆動端子には抵抗があり、直流駆動端子にはインダクタがあり本来はサージやパルスなどの高周波ノイズ成分を防ぐ目的がある．  
【００１５】
一方、図3に示すような回路で定電流源を構成すると電流設定用電圧にフィードバック入力端子からの信号を加算して電流に摂動を与えることができる．
図3に示す回路は半導体レーザLDの直流駆動端子に流れる電流を制御するためのトランジスタ，その電流を検出するために電圧に変換する精密抵抗とその電圧を検出する差動アンプ，さらにその検出した電圧と設定電圧VDを比較しその誤差信号増幅するオペアンプからなる．設定電圧VDは加算器により設定電流相当の電圧VSETと外部入力端子からの信号VEXTを加算したものである．半導体レーザLDに流れる電流IDと検出用精密抵抗RDとの積ID・RDが先の差動アンプより出力され，加算器の出力VDとの差が零となるようにオペアンプがトランジスタに流れる電流を制御する．
このフィードバック入力端子にシンセサイザを接続し電流に交流成分を付与して，その周波数特性（frequency）を測定したところ図4に示すように1MHz近辺で遮断されていることがわかる．
従って，この直流駆動端子からは低周波の緩やかな制御しかできない．この端子からは基準光に対するヘテロダイン検波による周波数ロックを行わせる．
【００１６】
図5は半導体レーザLDの直流駆動端子に図3に示した定電流源を接続し一定の電流IDを流し，RF駆動端子にシンセサイザを接続し半導体レーザLDに交流電流ISを流すことができることを確かめた実験回路図である．ダイオードの替わりに３Ωの抵抗を接続してあり直流駆動端子に接続された定電流源で流れた直流電流IDにより直流のオフセット電圧Voffが発生する．シンセサイザには交流電圧(制御信号)VSと直流電圧VDCを重畳して出力できるものを用いている．この電圧VDCをVoffと等しくなるように設定することでRF駆動端子側にある抵抗両端の直流電圧はゼロとなり，この抵抗に流れる電流IsはVs/Rという交流電流のみになる．従って半導体レーザLDに流れる電流ILDはID+ISとなり，RF駆動端子に接続する制御器にオフセット電圧を加算する機能が備わっていれば直流駆動電流とは独立に光の位相を制御する電流を流すことが可能となる．
【００１７】
図5に示す回路でRF駆動端子における周波数特性を測定した．その結果は
図6に示しているように10MHz近辺まで伸びていることがわかる．
ただし，直流駆動端子には定電流源が接続されて電流を流しているのでモジュール内部のインダクタと抵抗の分岐点にはグランドから電圧降下したオフセット電圧がある．従って，RF駆動端子へ帰還する信号にはこのオフセット電圧と同等の電圧を重畳しなければならない．このためRF駆動端子への帰還回路にはオフセット電圧を付加する機能を設ける．
【００１８】
以上の知見に基く本発明の実施形態構成例を図7に示している．当該半導体レーザLD100から出力された信号光は、周波数帰還用光123ｆ1、位相同期帰還用光123ｆ2、伝送用光123と３つに分岐される．
【００１９】
周波数帰還用光123ｆ1は、周波数帰還回路によりヘテロダイン検波方式でフィードバック処理する。この方式の周波数帰還回路は、周波数帰還用光123ｆ1を光合波器／光電変換器201により基準光202と合波して発生するビート信号を検出し、これを分周器203により分周してその後の周波数を位相検出器204によりマイクロ波発振器205からの周波数と一致するべく半導体レーザを制御するものである．この位相検出器204からの検波信号はループフィルタ206に通して図3に示す外部入力加算機能付き定電流源207に入力し当該半導体レーザLD100の直流駆動端子101に接続する．
これにより当該半導体レーザLD100の光周波数は、基準光周波数からマイクロ波信号周波数×分周数の離調周波数だけ離れた周波数に安定化される．
また分周することにより周波数の安定化は緩やかなものとなり，次に述べる位相同期が優先される構造となる．
【００２０】
一方前記位相同期帰還用光123ｆ2は、光位相帰還回路によりホモダイン検波方式でフィードバック処理する。この方式の光位相帰還回路は、位相同期帰還用光123ｆ2が主光源301と合波されて光位相誤差検出器302で検出後，位相差信号としてループフィルタ304へ送られる．このループフィルタ304の出力は図5に示したようにオフセット電圧を加算するために電位調整回路305からの電圧を加算器306で加算し，加算器306からの出力をRF駆動端子102に接続する．このオフセット電圧加算によりRF駆動端子102から見た直流駆動端子101に接続された定電流源207はインピーダンスが無限大になっており当該半導体レーザLD100に流れる電流は双方を重畳したものになる．このループフィルタ304はいわゆる低域通過型フィルタであるが通過帯域の低周波部分では積分特性をもつ特殊な特性を有する．光及び電気回路のループ長にもよるが制御の観点からみれば位相余裕が充分ではない．
特にRF駆動端子102に接続されるループフィルタ304は高域での特性が重要となるため位相補償回路303を組み合わせることで位相余裕を充分に確保することで広帯域での位相ロックが実現でき主光源光301に位相同期することとなる．
【００２１】
前記図7に示す装置では、周波数帰還用光からの周波数誤差信号を外部入力加算機能付き定電流源207に帰還しているが，他の例として図9に示すようにループフィルタ206からの周波数誤差信号をRF駆動端子102に帰還すべく加算器306に接続してもよい．
【００２２】
これ等の負フィードバック制御により、前記分岐光の残りの伝送用光123は、主光源光301に位相同期した位相同期光となって伝送使用される．
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明の光位相同期装置は、前述した優れた作用効果を有するため、光通信産業及びその関連産業において、大いに活用され貢献すること多大なものがある。
【符号の説明】
【００２４】
100：半導体レーザLD
101：直流駆動端子
102：RF駆動端子
201：光合波器／光電変換器
202：基準光
203：分周器
204：位相検出器
205：マイクロ波発振器
206：ループフィルタ
207：外部入力加算機能付き定電流源
301：主光源
302：光位相誤差検出器
303：位相補償回路
304：ループフィルタ
305：電位調整回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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